|
引言 嵌入式WEB服務器的主要設計思想就是將嵌入式系統和WEB技術結合起來，將WEB技術引入到現場測量和控制設備中，從而實現基于嵌入式WEB服務器的控制系統。用戶可以通過現有的公共通信網絡，使用標準的WEB瀏覽器作為接口直接對現場的控制設備進行訪問，監控和維護等操作，實現了異構設備之間的跨平臺互訪。 1 嵌入式WEB服務器總體設計 系統硬件設計如圖1所示。嵌入式WEB服務器由網絡模塊、接口模塊和存儲模塊三個部分組成。網絡模塊是整個嵌入式WEB服務器的核心，負責完成服務器的初始化，并且在80端口等待用戶的連接請求。根據用戶請求的類型提供相應的服務。此外還要實現電子郵件功能，用來完成自動報警和數據的保存，此外通過選擇以太網或者電話線進入Internet。 
圖1 嵌入式WEB服務器的硬件設計 接口模塊及存儲模塊。為了使WEB服務器具有更好的通用性，在系統提供了一些通用接口，如RS-232、RS-485、CAN、Modem、Ethernet。可以和不同接口的控制設備進行連接；系統提供了一個建立在外部串行Flash芯片上的小型文件系統，主要用來存放操作系統，嵌入式WEB服務器需要發布的網頁和運行的程序。而各個接口采集的數據暫時存放在1M的RAM里，每隔一定的時間就將數據通過電子郵件發送到指定的郵箱，然后覆蓋原有的數據。 1.1 LX972ALC網絡通訊接口電路電路設計 DS80C400網絡微控制器是目前集成度最高的8051器件。集成外設包括10/100M以太網控制器，三個串行端口，一個CAN 2.0B控制器， 1-Wire主機和64個I/O引腳。能夠通過以太網MAC提供高達5Mbps的吞吐率。24位尋址方式簡化了對于大容量程序或數據存儲器的訪問，支持高達16MB的連續存儲空間。LXT972ALC是 Intel公司推出的遵循正IEEE標準的網絡通訊接口電路，支持10M/100M的雙絞線應用，同時也支持100Mb/s的光纖接口；該電路提供的MII口能很好的符合 10/100MACs。其主要完成的是IEEE802.3標準定義的物理編碼子層(PCS)、物理媒體附加子層(PMA)和物理媒體獨立子層(PMD)的主要功能。單片機與芯片的電路如圖2所示：
圖2 DSSOC400與LXT972ALC相連原理圖 當合法的數據出現在RXD上的時候， LXT972ALC使RX_DV有效，當合法的數據出現在TXD上的時候，DSS0C400使TX_EN有效;當LXT972ALC檢測到幀中有錯誤時，它使RX_ER有效；當DSSOC400緩沖器沒有準備好時，它使TX_ER有效;當發送或者接收沒有處于空閑狀態時，LX972ALC使CRS有效;當LXT972AL檢測到沖突時，它使COL有效，并且在沖突期間一直保持高電平，如果 COL失效，那么 RX進入跟蹤模式。MDIO是 PHY管理數據的時鐘，MDIO是 PHY和 MAC之間控制信息的接口。 MDIO是通過軟件實現高級控制，因此必須通過并行口來實現。 1.2 Modem接口設計 本系統利用主控制器的UART2進行模擬Modem通信的基本過程：DS80C400先把準備寫入串行設備的數據發送到UART的寄存器中，再通過FIFO傳送到串行設備。 Modem接口電路我們采用芯片MAX213EAI。MAXZ13EAI是5V工作電源的RS-232電平轉換芯片。它集成了4個輸入和5個輸出的RS-232電平轉換口，可以很好的滿足 Modem接口標準傳輸的需要。接口電路如圖3所示。
圖3 Modem接口電路原理圖 2 嵌入式WEB服務器軟件設計 從設計角度，則可將嵌入式軟件分為4個模塊：網絡通訊模塊、接口管理模塊、人機交互模塊和遠程加載模塊。 2.1 網絡通訊模塊設計 2.1.1 以太網接入Internet的實現 嵌入式WEB服務器是溝通客戶和控制現場的重要橋梁，客戶通過認WEB瀏覽器來實現遠程監控的功能。本WEB服務是以TCP/IP協議來傳輸數據，以HTTP協議來進行客戶端與服務器之間的請求和響應，其體系結構如圖4所示。
圖4 Web體系結構 當客戶在界面上進行操作時，如點擊復選框或在文本框中輸入數據。Applet根據用戶的操作進行響應，從而構造出新的命令字，向嵌入式WEB服務器發出請求，服務器根據新的命令字驅動控制系統中相應的執行機構，并將新的狀態信息和數據信息返回到客戶端，客戶端解析返回的數據，并進行實時顯示。 2.1.2 公用電話網接入 Internet的實現 為保證能在無以太網環境的情況下進行通信，系統還采用了串口外接調制解調器通過電話網來實現與遠程客戶機的通信。網絡建立的實現就要用到PPP協議(Point to Point Protocol點對點協議)。在程序運行的時候先要讀取PPP通信的控制信息，判斷是否使用 PPP進行通信，否則默認使用Ethernet來進行數據的傳輸。而不是同時開啟這兩種模式。 由于PPP通信并不區分客戶端和服務器，把負責認證和IP分配的端認為是服務器，而不需要認證和使用服務器提供IP的端認為是客戶端。設計了LinkManger類、PPPDaemon類、PPPModemLink類、ModemCommand類、PPPException類，用來實現PPP通信。其中LinkManger類：用于管理PPP連接，啟動經由網絡接到遠端服務器的出站連接，生成一個PPPDaemon實例用來設置IP，驗證用戶名和密碼。并實現接收PPP事務。 PPPModemLink類首先打開一個串口并進行初始化，初始化完成后，把一個串口的對象傳遞給PPP，然后創建ModemCommand對象來控制與調制解調器的串行通信，并通過SerialPortEvenlistener接口監視CD以檢測調制解調器是否掛起。其定義了Modem的初始化和復位方法：initializeLink()和resetModem()。 ModemCommand類負責和modem具體的串行通信，其分別定義了sendcommand()、 waitFoResponse()和receiveCommand()方法。分別用來發送、等待和接收命令。當操作超時，則拋出DataLinkException；waitforMatc()主要用來供 sendCommand()和receiveCommand()進行調用，用來判斷接收到的字符串是否和匹配字符串一致。當相應操作超時，則拋出DataLinkException。 2.2 電子郵件功能的實現 在系統設計時，考慮到系統的存儲容量，不可能將采集的數據全部存儲在本地的系統中，為了保存系統的日志，可以采取定時向指定郵箱發送數據。本系統用Java語言開發了后臺自動發送郵件的功能。郵件采用BASE64編碼，并且支持 SMTP認證。 在本系統中，只需要完成SMTP的發送方式，而不要求其完成SMTP的接收方式，這樣就簡化了編程的難度。SMTP開服務器和SMTP客戶之間的對話過程：首先建立TCP連接，然后客戶端發送HELO命令以標識發件人的身份，客戶端發送MAIL命令，服務器端以OK作為響應，表明準備接收。接下來客戶端發送RCPT命令，以標識該電子郵件的計劃接收人，服務器端如表示愿意為收件人接收郵件。則在協商結束后發送郵件，用命令DATA發送，將輸入內容一起發送出去。最后結束此次發送，用QUIT命令退出。所有的命令都是以換行符作為結束。 2.3 嵌入式WEB服務器接口模塊的實現 在本系統中為了滿足不同工業控制系統的需要，設計有串口、CAN總線接口、Modem接口和RS-485接口。系統在啟動時，從系統的FLASH中讀取120個字節的初始化信息，并據此來判斷是否開啟接口，并對所開啟的接口進行初始化。由于各個模塊的初始化函數己經存在，因此系統初始化時，只要調用相應的函數就夠了。PPP已經在網絡模塊部分介紹，而RS-485的使用和普通串口的初始化相似，本部分主要介紹RS-232和CAN。 2.3.1 RS-232串口驅動函數設計 系統的開發語言是Java，但Java本身不提供對串口操作的類，要實現對串口的讀寫操作，需要用第三方API函數完成，實際的開發過程中，使用串口通訊協議開發包comm.jar，它是J2SE的標準擴展，支持RS-231串口，并提供了一種與平臺無關的串口通信機制。 串口驅動主要實現對串口的讀寫操作，給應用程序提供發詢接收數據的接口。串口正常工作之前，需要進行初始化設置，因此驅動中還有初始化函數。串口的驅動函數串口的驅動函數主要包括：serialInit()用來初始化UART、serialRead()用來接收字節組、serialWrite()用來發送字節組。 2.3.2 CAN總線模塊 CAN接口在工業控制系統的運用越來越廣泛，操作系統提供了對CAN進行操作的dalsem.com.CanBus類，如要對CAN進行操作，首先要建立一個CAN的對象。 CanBus canTest = new CanBus(CanBus.CANBUS0); 由于DS80C400只提供一個CAN控制器，所以只能選用CANBUS0。一旦對象被初始化，就需要設置CAN的速率。CAN速率的設置通過設置 Prescaler，TSEGI，TSEGZ和同步段來完成。CAN的計算速率為：CAN波特率=晶振頻率/Prescaler+（TSEG1+TSEG2）。 將上述設置完成后，就可以使 CAN控制器使能了：canTest.enableController()；要想完成幀的發送和接收，除了在信息中心設置接收和發送模式外，還必須先定義一個CanFrame的對象即CanFrame frame =new CanFrame()；要接收一個CAN的幀時，信息是以CanFrame對象的形式進行接收，并且調用canTest.receive(frame)；如要發送數據，也必須將數據封裝層CanFrame對象的形式進行發送，并且調用canTest.sendFrame(frame)。 2.4人機接口模塊 本系統將瀏覽器/服務器(B/S)結構和客戶端/服務器(C/S)結構相結合，客戶端仍只需使用易于操作的WEB瀏覽器，使用該模式不僅統一了用戶界面，為用戶對系統的查詢和操作提供了極大的方便，系統還通過Java Applet平衡了服務器端與瀏覽器端的負載狀況。 為了對控制對象進行遠程操作，WEB頁面需要給用戶提供三個功能：一是現場設備查詢，主要是對現場設備的運行狀態和采集數據進行查詢；二是設備遠程控制，提供對運行現場某些參數的修改能力；三是報警 (如高限報警、下限報警等)，如果現場設備超過設定的報警值，一方面會在網頁上發出聲音警報。此外還會在后臺向指定的郵箱發送報警郵件。 2.4.1 網頁的交互方式 Web系統主要采用HTTP協議。HTTP采用請求/響應的握手方式，每個HTTP交互都由從客戶端發往服務器的請求和從服務器發往客戶端的響應組成。HTTP采用TCP連接，而且該連接狀態僅在此次連接中保持，無論服務器或是瀏覽器都不會記憶上次的連接狀態。在設計中首先采用com.dalsemi.tininet包中的http類，實現在80端口等待客戶端的請求。其主要實現如下： HTTPServer httpd = new HTTPServer(80); 然后給出將對應的 HTML頁面返回到瀏覽器。 httpd.setIndexPage(“index.html”); 初始化結束后，Web服務器進入正常的工作狀態以輪詢的方式來進行處理。 2.5 系統的遠程加載和調試 為了使系統滿足不同任務的需要，有時需要對嵌入式系統中運行的軟件進行動態更新。本系統可以直接將新版本的監控軟件通過計算機網絡傳送到現場的嵌入式系統，對原有的軟件進行更換，從而實現軟件的遠程動態更新。利用操作系統自帶的FTP和Telnet功能，就可以實現系統的遠程更新和調試。在系統初始化結束后開始運行，一個線程創建了服務器套接字(Server Socket)來偵聽客戶端的FTP和Telnet連接請求。我們利用Telnet和FTP技術，可以實現在Internet上對嵌入式節點的遠程操作，包括程序的運行和停止、程序下載、在線更新、調試、配置等。 3 總結 本文的創新點是采用Java技術進行軟件開發，在實現傳統的數據采集和發布的基礎上，還增加了電子郵件功能，使得系統保存日志更為方便，增加了遠程文件的上傳和下載，使得系統可以遠程更新；其次，對原有的操作系統進行重新編譯，實現了對Rash的加載。從而省去了傳統的通過電池保護電路來完成掉電后的數據保存；最后，系統設計了多個接口可以和不同接口的控制設備相連，增強了系統的通用性。在網絡接入模式上以太網和PPP相結合使得系統的靈活性大為增強。 作者：姜孝軍，楊海鵬 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第6-2期 |
